電磁場(chǎng)與微波技術(shù)復(fù)習(xí)2

1、 電磁場(chǎng)與微波技術(shù)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)Electromagnetic Field and Microwave Technology 期末復(fù)習(xí)二微波技術(shù)基礎(chǔ)關(guān)于考試 平時(shí)作業(yè)：占比重30 期末考試：占比重70 雖然我始終認(rèn)為考試不是目的，但以往考試不通過(guò)的，每年都有，幾乎每班都有。我希望不是大家。考試題型及其分?jǐn)?shù)卷面分?jǐn)?shù)：50分選擇題:5+5+5+5+5解答題:15+10第章 微波概念Microwave Concept 對(duì)電子信息工程，通信工程專(zhuān)業(yè)，對(duì)電子信息工程，通信工程專(zhuān)業(yè)，微波技術(shù)微波技術(shù)是是一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課程。一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課程。 究竟什么是微波？這是我們關(guān)心的首要問(wèn)題。究竟什么是微波？這是

2、我們關(guān)心的首要問(wèn)題。 從現(xiàn)象看，如果把電磁波按波長(zhǎng)從現(xiàn)象看，如果把電磁波按波長(zhǎng)( (或頻率或頻率) )劃分，則劃分，則大致可以把大致可以把300MHz3000GHz300MHz3000GHz，( (對(duì)應(yīng)空氣中波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)空氣中波長(zhǎng)是是1m 0.1mm)1m 0.1mm)這一頻段的電磁波稱(chēng)之為微波?？v觀這一頻段的電磁波稱(chēng)之為微波?？v觀“左鄰右舍左鄰右舍”它處于超短波和紅外光波之間。它處于超短波和紅外光波之間。圖圖 1-11-1 紅外光超短波二、微波特點(diǎn) 1. 1. 微波的兩重性微波的兩重性 微波的兩重性指的是對(duì)于尺寸大的物體，如建筑微波的兩重性指的是對(duì)于尺寸大的物體，如建筑物火箭、導(dǎo)彈它顯示出粒子的

3、特點(diǎn)物火箭、導(dǎo)彈它顯示出粒子的特點(diǎn)即似光性或直即似光性或直線性而對(duì)于相對(duì)尺寸小的物體，又顯示出線性而對(duì)于相對(duì)尺寸小的物體，又顯示出波動(dòng)性波動(dòng)性。 2. 2. 微波與微波與“左鄰右舍左鄰右舍”的比較的比較微波的微波的“左鄰左鄰”是超短波和短波，而它的是超短波和短波，而它的“右舍右舍”又又是紅外光波。是紅外光波。 微波與超短波、短波相比較大大擴(kuò)展了通訊通道，開(kāi)辟了微波通訊和衛(wèi)星通訊 微波與光波段比較光通過(guò)雨霧衰減很大，特別是霧天蘭光、紫光幾乎看不見(jiàn)，這正是采用紅光作警戒的原因。而微波波段穿透力強(qiáng)。3. 3. 宇宙宇宙“窗口窗口” 地球的外層空間由于日光等繁復(fù)的原因形成獨(dú)地球的外層空間由于日光等繁復(fù)

4、的原因形成獨(dú)特的電離層，它對(duì)于短波幾乎全反射，這就是短波特的電離層，它對(duì)于短波幾乎全反射，這就是短波的天波通訊方式。而在微波波段則有若干個(gè)可以通的天波通訊方式。而在微波波段則有若干個(gè)可以通過(guò)電離層的過(guò)電離層的“宇宙窗口宇宙窗口”。因而微波是獨(dú)特的宇宙。因而微波是獨(dú)特的宇宙通訊手段。通訊手段。 圖圖1-12 1-12 宇宙窗口宇宙窗口 二、微波特點(diǎn) 4. 4. 不少物質(zhì)的能級(jí)躍遷頻率恰好落在微波的短不少物質(zhì)的能級(jí)躍遷頻率恰好落在微波的短波段，因此近年來(lái)微波生物醫(yī)療和微波催化等領(lǐng)域波段，因此近年來(lái)微波生物醫(yī)療和微波催化等領(lǐng)域已是前沿課題。已是前沿課題。 5. 5. 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算次數(shù)進(jìn)入十億次，其頻

5、率也是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算次數(shù)進(jìn)入十億次，其頻率也是微波頻率。超高速集成電路的互耦也是微波互耦問(wèn)微波頻率。超高速集成電路的互耦也是微波互耦問(wèn)題因此，微波的研究已進(jìn)入集成電路和計(jì)算機(jī)。題因此，微波的研究已進(jìn)入集成電路和計(jì)算機(jī)。 6. 6. 微波研究方法主要有兩種：場(chǎng)論的研究方法微波研究方法主要有兩種：場(chǎng)論的研究方法和網(wǎng)絡(luò)的研究方法。這也是本門(mén)課程要學(xué)習(xí)的重要和網(wǎng)絡(luò)的研究方法。這也是本門(mén)課程要學(xué)習(xí)的重要方法。其中場(chǎng)論方法的基礎(chǔ)是本征模理論。網(wǎng)絡(luò)方方法。其中場(chǎng)論方法的基礎(chǔ)是本征模理論。網(wǎng)絡(luò)方法的基礎(chǔ)是廣義傳輸線理論。法的基礎(chǔ)是廣義傳輸線理論。 二、微波特點(diǎn)根據(jù)根據(jù)導(dǎo)引導(dǎo)引波型波型分類(lèi)分類(lèi)TEM或準(zhǔn)或準(zhǔn)TEM

6、傳輸線傳輸線TE波和波和TM波波傳輸線傳輸線表面波傳輸線表面波傳輸線雙導(dǎo)線、同軸線、雙導(dǎo)線、同軸線、帶狀線、微帶線等帶狀線、微帶線等 矩形、圓形、脊矩形、圓形、脊型、橢圓等型、橢圓等空心金屬波導(dǎo)空心金屬波導(dǎo) 介質(zhì)波導(dǎo)、介質(zhì)介質(zhì)波導(dǎo)、介質(zhì)鏡像線、單根線等鏡像線、單根線等（開(kāi)波導(dǎo)）（開(kāi)波導(dǎo)）2 21 1 引言引言v 對(duì)于低頻信號(hào)，例如對(duì)于低頻信號(hào)，例如50Hz的交流電源，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的交流電源，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為為6106米，即米，即6千公里，因而千公里，因而30km的輸電線只能是的輸電線只能是短線短線 但一段但一段10cm的波導(dǎo)，若工作在的波導(dǎo)，若工作在30GHz，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為1cm，則是地道的長(zhǎng)

7、線，則是地道的長(zhǎng)線q “長(zhǎng)線長(zhǎng)線”和和“短線短線” 當(dāng)傳輸線的長(zhǎng)度當(dāng)傳輸線的長(zhǎng)度l 遠(yuǎn)大于所傳輸?shù)碾姶挪ǖ牟ㄟh(yuǎn)大于所傳輸?shù)碾姶挪ǖ牟ㄩL(zhǎng)長(zhǎng) ，或可比擬時(shí)，稱(chēng)之為長(zhǎng)線或可比擬時(shí)，稱(chēng)之為長(zhǎng)線（l/ / 0.050.05) )；反之反之, ,為短線；為短線； 電長(zhǎng)度：電長(zhǎng)度： l/ 2 21 1 引言引言均勻無(wú)耗傳輸線上的行波均勻無(wú)耗傳輸線上的行波(R=0，G=0)ttzuCztzittziLztzu),(),(),(),(ttzizLtzzutzu),(),(),(ttzzuzCtzzitzi,),(),( z z 0 0，忽略高次項(xiàng)忽略高次項(xiàng)zztzutzutzzu),(),(),(zztzitz

8、itzzi),(),(),(一、傳輸線方程及其解一、傳輸線方程及其解0),(),(0),(),(ttzuCdzdzztzittziLdzdzztzu消去消去dzdz2 22 2 均勻無(wú)耗傳輸線上的行波均勻無(wú)耗傳輸線上的行波一、傳輸一、傳輸線方程及其解線方程及其解 波動(dòng)方程的解波動(dòng)方程的解22222222),(),(),(),(ttziLCztzittzuLCztzu)()()()(222222zILCwdzzIdzULCwdzzUd)()(22zIzULCwzjzjzjzjeBeBzIeAeAzU2121)()(zwtBzwtBtzizwtAzwtAtzu42312211coscos),(co

9、scos),( 解的物理含義：解的物理含義： 傳輸線上電流、電壓以波的形式傳播；存在朝相反方向傳播的波傳輸線上電流、電壓以波的形式傳播；存在朝相反方向傳播的波2 22 2 均勻無(wú)耗傳輸線上的行波均勻無(wú)耗傳輸線上的行波一、傳輸一、傳輸線方程及其解線方程及其解相速相速v 等相位面沿傳播方向移動(dòng)的速度等相位面沿傳播方向移動(dòng)的速度v 入射波：3 , 1, izwti常數(shù)等相位面wdtdzvpLCwvp1v 反射波：4,2, izwti常數(shù)等相位面LCvp1二、均勻無(wú)耗傳輸線的特性阻抗二、均勻無(wú)耗傳輸線的特性阻抗v 定義：定義：傳輸線中傳輸線中行波行波電壓和電壓和行波行波電流之比電流之比 zIzIeBe

10、BzIzUzUeAeAzUzjzjzjzj2121)()(得：，代入傳輸線方程ttziLztzu),(),(1212j zj zj zj zjAejA ejwLB ejwLB e 上式，對(duì)任意上式，對(duì)任意z z都應(yīng)成立都應(yīng)成立111BCLBwLA22BCLA CLZC其中：zjzjceAeAZ211zjzjeBeBzI21)(zjzjeAABeAAB2221112 22 2 均勻無(wú)耗傳輸線上的行波均勻無(wú)耗傳輸線上的行波 均勻無(wú)耗線的特征阻抗是一個(gè)實(shí)數(shù)，單位：均勻無(wú)耗線的特征阻抗是一個(gè)實(shí)數(shù)，單位： 反映傳輸線反映傳輸線在行波狀態(tài)在行波狀態(tài)下電壓和電流之間關(guān)系的量下電壓和電流之間關(guān)系的量 大小僅取

11、決于傳輸線所大小僅取決于傳輸線所填充的介質(zhì)填充的介質(zhì)、線的、線的橫向尺寸橫向尺寸和和橫截面內(nèi)電磁場(chǎng)的分布狀態(tài)橫截面內(nèi)電磁場(chǎng)的分布狀態(tài)，與線的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，而且，與線的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，而且，可近似認(rèn)為與頻率無(wú)關(guān)可近似認(rèn)為與頻率無(wú)關(guān) CLzIzUzIzUZC2 22 2 均勻無(wú)耗傳輸線上的行波均勻無(wú)耗傳輸線上的行波二、均勻無(wú)耗二、均勻無(wú)耗傳輸線的特性阻抗傳輸線的特性阻抗2.3 2.3 接有負(fù)載的均勻無(wú)耗傳輸線接有負(fù)載的均勻無(wú)耗傳輸線（一）已知（一）已知EgEg，ZgZg和和Z ZL L時(shí)時(shí)djdjCdjdjeAeAZdIeAeAdU21211)()(1)d=0 (1)d=0 處處)2(1)0() 1 (0)

12、0(2121AAZdIZdIEAAdUCgg(2)d=(2)d=l 處處)4(1)() 3()()(2121ljljCLljljeAeAZldIZldIeAeAldU2.3 2.3 接有負(fù)載的均勻無(wú)耗傳輸線接有負(fù)載的均勻無(wú)耗傳輸線二、反射系數(shù)、駐波比和輸入阻抗二、反射系數(shù)、駐波比和輸入阻抗（一）反射系數(shù)一）反射系數(shù)描述傳輸線某處的反射波與入射波相對(duì)幅度及相對(duì)相位關(guān)系的參量描述傳輸線某處的反射波與入射波相對(duì)幅度及相對(duì)相位關(guān)系的參量 電壓反射系數(shù)電壓反射系數(shù) 電流反射系數(shù)電流反射系數(shù) zUzUzuzjCLCLeZZZZ2 zIzIzi zjzjCzjzjeAeAZzIzIzIeAeAzUzUzU2

13、1211)()(zjzjzjueAAeAeAz21212)()(/)(21212zeAAZeAZeAzuzjczjczji)(zu zjCLCLeZZZZz2 zje20 000jCLCLeZZZZ 020zje2.3 2.3 接有負(fù)載的均勻無(wú)耗傳輸線接有負(fù)載的均勻無(wú)耗傳輸線反射系數(shù)、駐反射系數(shù)、駐波比和輸入阻抗波比和輸入阻抗 復(fù)平面上，復(fù)平面上， (z)(z)的軌跡是一個(gè)半徑為的軌跡是一個(gè)半徑為| | (0)(0)| |， 沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的圓，沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)的圓， zz2002.3 2.3 接有負(fù)載的均勻無(wú)耗傳輸線接有負(fù)載的均勻無(wú)耗傳輸線反射系數(shù)、反射系數(shù)、駐波比和輸入阻抗駐波比和輸入阻

14、抗（二）駐波比、行波系數(shù)（二）駐波比、行波系數(shù)駐波比與行波系數(shù)描述了行波與駐波的相對(duì)大小駐波比與行波系數(shù)描述了行波與駐波的相對(duì)大小電壓駐波比電壓駐波比：均勻無(wú)耗傳輸線上電壓最大與最小振幅值之比；均勻無(wú)耗傳輸線上電壓最大與最小振幅值之比；電流駐波比電流駐波比：均勻無(wú)耗傳輸線上電壓最大與最小振幅值之比；均勻無(wú)耗傳輸線上電壓最大與最小振幅值之比； 0101minmaxminmaxzIzIzUzUsv 沿傳輸線不變，常采用電壓駐波比，簡(jiǎn)稱(chēng)駐波比（沿傳輸線不變，常采用電壓駐波比，簡(jiǎn)稱(chēng)駐波比（VSWRVSWR） 行波系數(shù)：行波系數(shù)： 110ssz szIzIzUzUK10101maxminmaxmin 取

15、值范圍取值范圍： 0 0 | | | | 1 1 1 1 s s , ,0 0 K K 1 1v 無(wú)反射時(shí)，無(wú)反射時(shí)， | | |=0, s=1 K|=0, s=1 K1 1v 全反射時(shí)，全反射時(shí)， | | |=1|=1，純駐波，純駐波，s=s= ,K=0,K=0v 部分反射時(shí)，為行駐波，介于兩者之間部分反射時(shí)，為行駐波，介于兩者之間2.3 2.3 接有負(fù)載的均勻無(wú)耗傳輸線接有負(fù)載的均勻無(wú)耗傳輸線反射系數(shù)、反射系數(shù)、駐波比和輸入阻抗駐波比和輸入阻抗（三）輸入阻抗（三）輸入阻抗 zIzUzZinzZUjzIzZjIzUCLLCLLsincossincosLLLZIU zZZIjzIzZjIzZI

16、CLLLCLLLsincossincoszZZjzzjZzZCLCLsincossincoszjZzZzjZzZZLCCLCsincossincosztgjZZztgjZZZLCCLC ztgjZZztgjZZZzIzUzZLCCLCin2.3 2.3 接有負(fù)載的均勻無(wú)耗傳輸線接有負(fù)載的均勻無(wú)耗傳輸線反射系數(shù)、反射系數(shù)、駐波比和輸入阻抗駐波比和輸入阻抗v 與特性阻抗是兩個(gè)完全不同的概念與特性阻抗是兩個(gè)完全不同的概念 zIzIzUzUzIzUZin zzIzzU11 zzZC11 zzZzZCin11v 輸入導(dǎo)納：輸入導(dǎo)納： zZzYinin1zjYzYzjYzYYLCCLCsincossinc

17、osztgjYYztgjYYYLCCLCv 與反射系數(shù)的關(guān)系與反射系數(shù)的關(guān)系2.3 2.3 接有負(fù)載的均勻無(wú)耗傳輸線接有負(fù)載的均勻無(wú)耗傳輸線三、均勻無(wú)耗傳輸線接有不同類(lèi)型負(fù)載時(shí)的工作狀態(tài)三、均勻無(wú)耗傳輸線接有不同類(lèi)型負(fù)載時(shí)的工作狀態(tài) 根據(jù)終端負(fù)載根據(jù)終端負(fù)載Z ZL L的情況，傳輸線有三種工作狀態(tài)：的情況，傳輸線有三種工作狀態(tài)：行波狀態(tài)行波狀態(tài)長(zhǎng)線上無(wú)反射長(zhǎng)線上無(wú)反射純駐波狀態(tài)純駐波狀態(tài)反射波等于入射波，全反射反射波等于入射波，全反射行駐波狀態(tài)行駐波狀態(tài)反射波小于入射波反射波小于入射波 長(zhǎng)線的工作狀態(tài)取決于負(fù)載與長(zhǎng)線之間的匹配特點(diǎn)長(zhǎng)線的工作狀態(tài)取決于負(fù)載與長(zhǎng)線之間的匹配特點(diǎn) zjCLCLeZZ

18、ZZz23-2 規(guī)則波導(dǎo)中的導(dǎo)行波規(guī)則波導(dǎo)中的導(dǎo)行波 一、波型一、波型 （三）（三）TEMTEM波型波型0, 0zzEH 根據(jù)縱橫關(guān)系，可知：根據(jù)縱橫關(guān)系，可知： 只有只有K Kc c0 0時(shí)，時(shí)，E Et t和和H Ht t才有非零解，才有非零解，TEMTEM波型應(yīng)滿足：波型應(yīng)滿足：v 無(wú)法用縱向分量表示橫向分量無(wú)法用縱向分量表示橫向分量 可通過(guò)求解該方程得到可通過(guò)求解該方程得到E E和和H H0),(0),(22vuHvuEttwKKKKKcc22220與無(wú)界空間均勻媒質(zhì)的相同v 靜態(tài)場(chǎng)也滿足同樣的靜態(tài)場(chǎng)也滿足同樣的LaplaceLaplace方程，因此一個(gè)導(dǎo)波系統(tǒng)若能傳輸方程，因此一個(gè)導(dǎo)

19、波系統(tǒng)若能傳輸TEMTEM波型，則該系統(tǒng)中必然能存在靜電荷或恒定電流，而在波型，則該系統(tǒng)中必然能存在靜電荷或恒定電流，而在單導(dǎo)體所構(gòu)成單導(dǎo)體所構(gòu)成的空心金屬波導(dǎo)管的空心金屬波導(dǎo)管內(nèi)內(nèi)，不可能存在靜電荷或恒定電荷，因此也，不可能存在靜電荷或恒定電荷，因此也不可能不可能傳輸傳輸TEMTEM波型。波型。v 若是雙導(dǎo)體或多導(dǎo)體，則可以傳輸若是雙導(dǎo)體或多導(dǎo)體，則可以傳輸TEMTEM波型波型 對(duì)于無(wú)耗規(guī)則波導(dǎo)，導(dǎo)行波沿對(duì)于無(wú)耗規(guī)則波導(dǎo)，導(dǎo)行波沿z z軸方向傳播規(guī)律為軸方向傳播規(guī)律為3-2 規(guī)則波導(dǎo)中的導(dǎo)行波規(guī)則波導(dǎo)中的導(dǎo)行波二、傳輸二、傳輸特性特性zjeAzZ)(其中，其中，22cKk 22cKwv KK

20、KKc c 時(shí)，時(shí)， 為實(shí)數(shù)，則為實(shí)數(shù)，則Z(z)Z(z)表示沿表示沿z z軸方向傳播的行波軸方向傳播的行波v KKK KcK Kc( (二二) ) 波導(dǎo)的截止現(xiàn)象波導(dǎo)的截止現(xiàn)象/ /截止波長(zhǎng)及傳輸條件截止波長(zhǎng)及傳輸條件ccff 即 如果某一波型要在給定的波導(dǎo)內(nèi)能夠傳輸如果某一波型要在給定的波導(dǎo)內(nèi)能夠傳輸, ,則要求則要求ffffc c, ,具有高通濾波器的特性具有高通濾波器的特性v 對(duì)于對(duì)于TEMTEM波沒(méi)有截止現(xiàn)象波沒(méi)有截止現(xiàn)象, , 但但TETE和和TMTM波有截止現(xiàn)象波有截止現(xiàn)象3-2 規(guī)則波導(dǎo)中的導(dǎo)行波規(guī)則波導(dǎo)中的導(dǎo)行波二、傳輸特性二、傳輸特性( (六六) ) 損耗和衰減損耗和衰減

21、損耗是指波在傳播過(guò)程中，其幅值（或功率）不斷減小的現(xiàn)象。損耗是指波在傳播過(guò)程中，其幅值（或功率）不斷減小的現(xiàn)象。 （2 2）對(duì)于實(shí)際的波導(dǎo)，波導(dǎo)壁的內(nèi)表面并非是無(wú)耗的理想導(dǎo)體，高頻電）對(duì)于實(shí)際的波導(dǎo)，波導(dǎo)壁的內(nèi)表面并非是無(wú)耗的理想導(dǎo)體，高頻電流流過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱損耗，波導(dǎo)中填充的介質(zhì)也不是理想介質(zhì)，也會(huì)產(chǎn)生熱流流過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱損耗，波導(dǎo)中填充的介質(zhì)也不是理想介質(zhì)，也會(huì)產(chǎn)生熱損耗，都會(huì)引起波的衰減損耗，都會(huì)引起波的衰減熱損耗熱損耗（1 1）對(duì)于無(wú)耗波導(dǎo)，當(dāng)）對(duì)于無(wú)耗波導(dǎo)，當(dāng) c c時(shí)，波導(dǎo)已不能傳輸能量，也不消耗能量，時(shí)，波導(dǎo)已不能傳輸能量，也不消耗能量，只能儲(chǔ)存能量，稱(chēng)為只能儲(chǔ)存能量，稱(chēng)為 介質(zhì)（電

22、抗性）衰減介質(zhì)（電抗性）衰減 兩種衰減產(chǎn)生的機(jī)理完全不同，下面僅討論第二種情況：兩種衰減產(chǎn)生的機(jī)理完全不同，下面僅討論第二種情況： 傳播常數(shù)傳播常數(shù) = = j j ， 其中衰減常數(shù)其中衰減常數(shù) c c d d c c表示由波導(dǎo)壁引起的導(dǎo)體的衰減常數(shù)表示由波導(dǎo)壁引起的導(dǎo)體的衰減常數(shù) d d表示由波導(dǎo)中填充介質(zhì)所引起的介質(zhì)的衰減常數(shù)表示由波導(dǎo)中填充介質(zhì)所引起的介質(zhì)的衰減常數(shù)3-2 規(guī)則波導(dǎo)中的導(dǎo)行波規(guī)則波導(dǎo)中的導(dǎo)行波三、品質(zhì)因數(shù)三、品質(zhì)因數(shù)LPWwQ耗的能量波導(dǎo)單位長(zhǎng)度內(nèi)每秒損能量波導(dǎo)單位長(zhǎng)度內(nèi)儲(chǔ)存的它表征系統(tǒng)內(nèi)的儲(chǔ)能與耗能的程度的量它表征系統(tǒng)內(nèi)的儲(chǔ)能與耗能的程度的量（1 1）只考慮波導(dǎo)損耗時(shí)的

23、）只考慮波導(dǎo)損耗時(shí)的Q Q值值（2 2）只考慮介質(zhì)損耗時(shí)的）只考慮介質(zhì)損耗時(shí)的Q Q值值21222ffvwvwPvPwPWwQccgccgLcggevPWvWPvPPcL2212ffvwQcdd212tancedw若只考慮若只考慮0 0引起的損耗，引起的損耗，則則 “=0,“=0,tanwe2121cdwwwQd 總的品質(zhì)因數(shù)總的品質(zhì)因數(shù)dcdccdQQQQQQQ111b)b) 每組每組m,nm,n值對(duì)應(yīng)一種波型，記為值對(duì)應(yīng)一種波型，記為T(mén)ETEmnmn( (或或H Hmn mn ) ) 最低次的波型為最低次的波型為T(mén)ETE1010(ab)(ab)或或TETE01 01 (ab)(abab時(shí)，

24、時(shí)，TETE1010模的截止波長(zhǎng)大于模的截止波長(zhǎng)大于TETE0101模，且大于模，且大于TMTM1111模模 TETE1010模是矩形波導(dǎo)中的主波型模是矩形波導(dǎo)中的主波型abaKTMc2211二、波型及場(chǎng)結(jié)構(gòu)二、波型及場(chǎng)結(jié)構(gòu)（一）（一）TE波型波型(1) 場(chǎng)分量的表示式場(chǎng)分量的表示式3-3 矩形波導(dǎo)管中電磁波的傳輸特性三、矩形波導(dǎo)管中電磁波的傳輸特性三、矩形波導(dǎo)管中電磁波的傳輸特性（一）截止波長(zhǎng)和截止頻率（一）截止波長(zhǎng)和截止頻率 截止波數(shù)截止波數(shù)K Kc c2222bnamKKKyxc 截止波長(zhǎng)截止波長(zhǎng) c c2222222bnambnamKcc222bnam 截止頻率截止頻率f fc c22

25、21bnamvfccv 矩形波導(dǎo)中各種模式的截止波長(zhǎng)分布矩形波導(dǎo)中各種模式的截止波長(zhǎng)分布3-3 矩形波導(dǎo)管中電磁波的傳輸特性三、矩形波導(dǎo)管中電磁波的傳輸特性最上面的模式是最上面的模式是2121（二）波導(dǎo)波長(zhǎng)和相移常數(shù)（二）波導(dǎo)波長(zhǎng)和相移常數(shù) 波導(dǎo)波長(zhǎng)波導(dǎo)波長(zhǎng)21cpgfv 相移常數(shù)相移常數(shù)2122cg3-3 矩形波導(dǎo)管中電磁波的傳輸特性三、矩形波導(dǎo)管中電磁波的傳輸特性（三）相速和群速（三）相速和群速 相速相速21cpvwv 群速群速21cgvddwv（四）波型阻抗（四）波型阻抗gcTEwZ211gcTMwZ21了解管壁電流的分布情況，對(duì)解決某些實(shí)際問(wèn)題有幫助了解管壁電流的分布情況，對(duì)解決某些實(shí)

26、際問(wèn)題有幫助無(wú)輻射性槽無(wú)輻射性槽強(qiáng)輻射性槽強(qiáng)輻射性槽3-3 矩形波導(dǎo)管中電磁波的傳輸特性四、矩形波導(dǎo)管的管壁電流3-3 矩形波導(dǎo)管中電磁波的傳輸特性六、激勵(lì)與耦合（1 1）探針（棒）激勵(lì)）探針（棒）激勵(lì) 電激勵(lì)方式電激勵(lì)方式 探針軸線應(yīng)與波導(dǎo)中所需模式的探針軸線應(yīng)與波導(dǎo)中所需模式的電力線相平行電力線相平行， 并置于并置于該波型電場(chǎng)最強(qiáng)處該波型電場(chǎng)最強(qiáng)處 （TETE1010：寬邊中央）：寬邊中央） 激勵(lì)激勵(lì)TETE1010模的同時(shí)，還將激勵(lì)某些高次模模的同時(shí)，還將激勵(lì)某些高次模3-3 矩形波導(dǎo)管中電磁波的傳輸特性六、激勵(lì)與耦合（2 2）環(huán)激勵(lì)）環(huán)激勵(lì) 磁激勵(lì)方式磁激勵(lì)方式 為得到強(qiáng)耦合，插入波導(dǎo)

27、中所需模式的為得到強(qiáng)耦合，插入波導(dǎo)中所需模式的磁場(chǎng)最強(qiáng)處磁場(chǎng)最強(qiáng)處， 小環(huán)法線應(yīng)小環(huán)法線應(yīng)平行于磁力線平行于磁力線 耦合較弱耦合較弱 （3 3）孔（縫）激勵(lì)）孔（縫）激勵(lì) 在波導(dǎo)之間的激勵(lì)，往往采用小孔耦合，在波導(dǎo)之間的激勵(lì)，往往采用小孔耦合， 即在兩個(gè)波導(dǎo)的公共壁上開(kāi)孔或縫，使一部分能量輻射到另一波導(dǎo)即在兩個(gè)波導(dǎo)的公共壁上開(kāi)孔或縫，使一部分能量輻射到另一波導(dǎo) 又稱(chēng)電流激勵(lì)，可以是磁場(chǎng)激勵(lì)、也可以是電場(chǎng)激勵(lì)或兩者兼之又稱(chēng)電流激勵(lì)，可以是磁場(chǎng)激勵(lì)、也可以是電場(chǎng)激勵(lì)或兩者兼之三、圓形波導(dǎo)管中電磁波的傳輸特性三、圓形波導(dǎo)管中電磁波的傳輸特性1、截止波長(zhǎng)、截止波長(zhǎng)與矩形波導(dǎo)不同，圓波導(dǎo)中的TE模和TM

28、模的傳輸特性各不相同mncTMmncTEvRROmnOmn22其中，其中， mnmn和和 mnmn分別是分別是m m階階BesselBessel函函數(shù)及其一階導(dǎo)數(shù)的第數(shù)及其一階導(dǎo)數(shù)的第n n個(gè)非零根個(gè)非零根 TE TE1111TMTM0101TETE2121TETE0101 TM TM1111TETE31314a4aa a2a2a3a3a C CTMTM2121。I I截止區(qū)截止區(qū)IIIIII多模區(qū)多模區(qū)IIII單模區(qū)單模區(qū)圓波導(dǎo)中截止波長(zhǎng)的分布圖圓波導(dǎo)中截止波長(zhǎng)的分布圖（1 1） c cTE11TE113.41R 3.41R 最長(zhǎng)最長(zhǎng) c cTM01TM012.62R2.62R c cTE2

29、1TE212.06R2.06R c cTE01TE01 c cTM11TM111.64R1.64R TE TE1111是圓波導(dǎo)中的主波型是圓波導(dǎo)中的主波型（2 2）2.62a2.62a 3.41a3.41a為單模為單模傳輸區(qū)；只能傳輸傳輸區(qū)；只能傳輸TETE1111模模（3 3） 越短，所能傳輸?shù)牟ㄔ蕉?，所能傳輸?shù)牟ㄐ驮蕉?，高通特性型越多，高通特性? 4）簡(jiǎn)并現(xiàn)象）簡(jiǎn)并現(xiàn)象四、圓波導(dǎo)中幾種常用模式的場(chǎng)結(jié)構(gòu)四、圓波導(dǎo)中幾種常用模式的場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用及其應(yīng)用 TE11模是圓波導(dǎo)中的最低次模，即主波型，模是圓波導(dǎo)中的最低次模，即主波型， 場(chǎng)分量表達(dá)式為：場(chǎng)分量表達(dá)式為： （v111.841， C C

30、 3.41R）0sincos841.1cossin841.1841.1sincos841.1841.1sincos841.1841.1cossin841.1841.110122010101220zzjzzjzjrzjzjrEerRJHHerRJrRHjHerRJRHjHerRJRHwjEerRJrRHwjE1）主模）主模TE11模模四、圓波導(dǎo)中幾種常用模式的場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用四、圓波導(dǎo)中幾種常用模式的場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用2）圓對(duì)稱(chēng)）圓對(duì)稱(chēng)TM01模模 圓波導(dǎo)的第一個(gè)高次模圓波導(dǎo)的第一個(gè)高次模 場(chǎng)分量表達(dá)式為：場(chǎng)分量表達(dá)式為： （v012.405， C C 2.61R） 場(chǎng)結(jié)構(gòu)場(chǎng)結(jié)構(gòu)0405.2405.2

31、405.2405.2405.2100010zrzjzjzzjrHHEerRJERwjHerRJEEerRJERjE四、圓波導(dǎo)中幾種常用模式的場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用四、圓波導(dǎo)中幾種常用模式的場(chǎng)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用（3）TE013）損耗最小的）損耗最小的TE01模模 場(chǎng)分量表達(dá)式為：場(chǎng)分量表達(dá)式為： （ 013.832， C C 1.64R）0832.3832.3832.3832.3832.3832.3832.3832.3832.30010001000HEEerRJHHerRJRHjerRJRHjHerRJRHwjerRJRHwjEzrzjzzjzjrzjzj 場(chǎng)結(jié)構(gòu)場(chǎng)結(jié)構(gòu))()(10rKJrKJcc 3 3、同

32、軸線中、同軸線中TEMTEM波的傳輸特性波的傳輸特性（1 1）相速與波長(zhǎng)）相速與波長(zhǎng)rpcwv1rrgfcw22（2 2）特性阻抗）特性阻抗LzjeaErdHdlHI0202zjbazjbareabaEdreraEdrEUln00abIUZcln2對(duì)于非磁性介質(zhì)，對(duì)于非磁性介質(zhì)， r r 1 1rrr12000ababrrlg138ln60o 特性阻抗的意義為行波電壓與行波電流之比特性阻抗的意義為行波電壓與行波電流之比3-5 3-5 同軸線及其中的高次波型同軸線及其中的高次波型 一、一、 同軸線中的同軸線中的TEMTEM波型波型38 VZI阻抗矩陣111 11221221 122221 122

33、 NNNNNNNNNNVZ IZ IZIVZ IZ IZIVZIZIZI 1111211221222212NNNNNNNNVZZZIVZZZIVZZZIN N個(gè)端口電壓個(gè)端口電壓N N個(gè)端口電流個(gè)端口電流阻抗矩陣阻抗矩陣寫(xiě)成矩陣形式？寫(xiě)成矩陣形式？復(fù)習(xí)：矩陣乘法復(fù)習(xí)：矩陣乘法 AB CA的第的第i行、第行、第j列元素，是列元素，是B的的第第i行與行與C的第的第j列元素對(duì)應(yīng)相列元素對(duì)應(yīng)相乘后再相加求和的結(jié)果。乘后再相加求和的結(jié)果。39阻抗矩陣元素意義阻抗矩陣元素意義阻抗矩陣0,kiijjIkjVZIZij 是電流是電流 Ij 在在 j 端口激勵(lì)、其他所有端口均端口激勵(lì)、其他所有端口均開(kāi)路開(kāi)路時(shí)，

34、在端口時(shí)，在端口i 測(cè)得的測(cè)得的開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓與與Ij之比。之比。是其他所有是其他所有端口均端口均開(kāi)路開(kāi)路時(shí)，端口時(shí)，端口i和端口和端口j 之間的之間的轉(zhuǎn)移阻抗轉(zhuǎn)移阻抗。 Zii 是除端口是除端口i之外的其他所有端口均之外的其他所有端口均開(kāi)路開(kāi)路時(shí)，端時(shí)，端口口i的的輸入阻抗輸入阻抗。除端口除端口j外其他所有端外其他所有端口均開(kāi)路（包括第口均開(kāi)路（包括第i個(gè)個(gè)端口），即電流均為端口），即電流均為0 Ij是是“因因”，Vi是是“果果”40導(dǎo)納矩陣N N個(gè)端口電流個(gè)端口電流N N個(gè)端口電壓個(gè)端口電壓 IYV導(dǎo)納矩陣導(dǎo)納矩陣111 11221221 122221 122 NNNNNNNNNNIY

35、VY VY VIY VY VY VIY VY VY V 1111211221222212NNNNNNNNIYYYVIYYYVIYYYV寫(xiě)成矩陣形式寫(xiě)成矩陣形式41導(dǎo)納矩陣導(dǎo)納矩陣元素意義導(dǎo)納矩陣元素意義Yij 是電壓是電壓 Vj 在在 j 端口激勵(lì)、其他所有端口均端口激勵(lì)、其他所有端口均短短路路時(shí)，在端口時(shí)，在端口i 測(cè)得的測(cè)得的短路電流短路電流與與Vj之比。是除端口之比。是除端口j之外其他所有端口均短路時(shí)，端口之外其他所有端口均短路時(shí)，端口i和端口和端口j之間的之間的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移導(dǎo)納移導(dǎo)納。Yii是除端口是除端口i之外的其他所有端口均短路時(shí)，端之外的其他所有端口均短路時(shí)，端口口i的的輸入導(dǎo)納輸入導(dǎo)

36、納。0,kiijjVkjIYV除端口除端口j j外其他所有端外其他所有端口均短路（電壓為口均短路（電壓為0 0） Vj是是“因因”，Ii是是“果果”42 例例4.34.3阻抗參量計(jì)算阻抗參量計(jì)算阻抗和導(dǎo)納矩陣參量計(jì)算2110ACIVZZI12121220CCIIZVZZII1220BCIVZZI11:Z22:Z12:Z43散射矩陣 N N端口網(wǎng)絡(luò)的入射電壓與反射電壓之間關(guān)系端口網(wǎng)絡(luò)的入射電壓與反射電壓之間關(guān)系111121122121NNNNNNVSSSVVSVVSSV1NiijjjVSV線性疊加性線性疊加性V:電壓電壓反射波反射波,向網(wǎng)絡(luò)向網(wǎng)絡(luò)外部外部V:電壓電壓入射波入射波,向網(wǎng)絡(luò)向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部

37、內(nèi)部44 端口端口k處阻抗不處阻抗不匹配，從網(wǎng)絡(luò)內(nèi)匹配，從網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部出來(lái)的電壓反部出來(lái)的電壓反射波，在端口射波，在端口k處處發(fā)生反射，射向發(fā)生反射，射向網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，形成網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，形成端口端口k處的電壓源處的電壓源激勵(lì)！激勵(lì)！散射矩陣元素的定義散射矩陣元素的定義散射矩陣0,kiijjVkjVSV1NiijjjVSVn端口端口k電壓為零的條件電壓為零的條件p端口端口k處處無(wú)電壓源無(wú)電壓源p端口端口k接接匹配負(fù)載匹配負(fù)載45散射矩陣元素意義散射矩陣元素意義散射矩陣除端口除端口j外，其他所有端口入射外，其他所有端口入射電壓均為電壓均為0(0(所有端口均無(wú)電壓所有端口均無(wú)電壓源激勵(lì)，并且均接匹配負(fù)載源激勵(lì)，

38、并且均接匹配負(fù)載) )0,kiijjVkjVSVSij 是在端口是在端口 j用電壓源用電壓源 激勵(lì)，激勵(lì)，其他所有端口其他所有端口均無(wú)激均無(wú)激勵(lì)，并且勵(lì)，并且其他所有端口其他所有端口均接均接匹配負(fù)載匹配負(fù)載時(shí)，在端口時(shí)，在端口i 測(cè)測(cè)得的得的電壓反射波電壓反射波 與與 之比。之比。是其他所有端口均接是其他所有端口均接匹配負(fù)載時(shí)，端口匹配負(fù)載時(shí)，端口i和端口和端口j 之間的之間的傳輸系數(shù)傳輸系數(shù)。 Sii是所有其他端口接匹配負(fù)載時(shí)向是所有其他端口接匹配負(fù)載時(shí)向i端口看去的端口看去的反射反射系數(shù)系數(shù)。jViVjV 是是“因因”， 是是“果果”jViV46端口端口2 2無(wú)入射波時(shí)無(wú)入射波時(shí)端口端口2

39、 2接匹接匹配負(fù)載（或傳輸線無(wú)窮長(zhǎng)），求配負(fù)載（或傳輸線無(wú)窮長(zhǎng)），求從端口從端口1 1看進(jìn)去的看進(jìn)去的反射系數(shù)反射系數(shù)例例4.4 求求3dB衰減電路的衰減電路的S參量（傳輸線參量（傳輸線Z0=50）散射參量計(jì)算 求求S11即從端口即從端口1看進(jìn)去的看進(jìn)去的反射系數(shù)反射系數(shù)211110VVSV5047散射參量計(jì)算端口端口2 2接匹配負(fù)載（或傳輸線無(wú)窮長(zhǎng)）時(shí)，從端口接匹配負(fù)載（或傳輸線無(wú)窮長(zhǎng)）時(shí)，從端口1 1看看進(jìn)去的進(jìn)去的輸入阻抗輸入阻抗：(1)8.56141.8(8.5650)/(141.88.5650)50inZ求求S11：220(1)(1)0111(1)01002inVinVZZZVSVZ

40、Z 在端口0= S225048散射參量計(jì)算求求S11：50端口端口2：僅有反射電壓：僅有反射電壓 ，無(wú)入射電壓無(wú)入射電壓。反射波或被。反射波或被負(fù)載完全吸收，或沿傳輸線無(wú)限傳輸下去負(fù)載完全吸收，或沿傳輸線無(wú)限傳輸下去( (無(wú)無(wú)“反射反射”) )2V端口端口2接匹配負(fù)載接匹配負(fù)載(或傳輸線無(wú)窮長(zhǎng)或傳輸線無(wú)窮長(zhǎng))，端口端口1、2電壓？電壓？反射電壓反射電壓2V11,VV入射入射反射反射端口端口1：有入射電壓：有入射電壓 ，可能也有反射電壓，可能也有反射電壓 ?？?。可能存在多次能存在多次“反射反射”，但疊加后的總的入射電壓為，但疊加后的總的入射電壓為1V1V1V端口端口1 1處的反射（出射）電壓完全

41、由處的反射（出射）電壓完全由網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部電路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部電路引起引起49散射參量計(jì)算 求求S21：222110VVSV11111122(1)VVVVSVV在端口1施加入射波 ，端口2接匹配負(fù)載（或傳輸線無(wú)限長(zhǎng)），并在端口2上測(cè)量得到出射波1V2V2?V11,VV求求 ，可轉(zhuǎn)化為求，可轉(zhuǎn)化為求端口端口2上的分壓上的分壓2V2V由等效電由等效電路圖得路圖得50散射參量計(jì)算1 1、并聯(lián)部分阻抗、并聯(lián)部分阻抗 求求S21：由由11220SS11VV141.8(8.5650)/(141.88.5650)41.44221141.4450()()0.70741.448.56508.56VVVV2 2、負(fù)載上分壓、負(fù)

42、載上分壓222110VVSV求求 ，可轉(zhuǎn)化為求端口，可轉(zhuǎn)化為求端口2上的分壓上的分壓2V2V51散射參量計(jì)算3 3、計(jì)算、計(jì)算S S2121222211100.707VVVSVV= S12端口端口1處入射功率處入射功率210|2VPZ22222221 121110000| |2224VS VSVVPZZZZ端口端口2處出射功率處出射功率12PP3dB衰減器衰減器52 傳輸矩陣傳輸矩陣用二端口網(wǎng)絡(luò)一個(gè)端口的電壓、用二端口網(wǎng)絡(luò)一個(gè)端口的電壓、電流，表示另一個(gè)端口的電壓、電流電流，表示另一個(gè)端口的電壓、電流122122VAVBIICVDI兩個(gè)端口之間總電壓、電流之間關(guān)系兩個(gè)端口之間總電壓、電流之間關(guān)

43、系1212VVABIICD傳輸矩陣傳輸矩陣(ABCD(ABCD矩陣矩陣) )2120IVAV( (端口端口2 2開(kāi)路開(kāi)路) )2120IICV( (端口端口2 2開(kāi)路開(kāi)路) )2120VVBI( (端口端口2 2短路短路) )2120VIDI( (端口端口2 2短路短路) )I2方向?yàn)榱鞒鼍W(wǎng)絡(luò)！方向?yàn)榱鞒鼍W(wǎng)絡(luò)！根據(jù)線根據(jù)線性方程性方程組確定組確定參數(shù)意參數(shù)意義！義！53傳輸矩陣的應(yīng)用傳輸矩陣的應(yīng)用二端口網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)二端口網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)11121112VABVICDI32223222VVABIICD311122311122VVABABIICDCD12 MAAAAM個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)54

44、例例6.5-16.5-1計(jì)算計(jì)算ABCDABCD參量參量串聯(lián)阻抗串聯(lián)阻抗Z Z：2120IVAV2120VVBI111/VZVZ2120IICV02120VIDI111II端口端口1 1端口端口2 2并聯(lián)導(dǎo)納并聯(lián)導(dǎo)納Y Y：端口端口1 1端口端口2 2變壓器：變壓器： 微波諧振器是具有儲(chǔ)能與選頻特性的微波諧振元件微波諧振器是具有儲(chǔ)能與選頻特性的微波諧振元件q 在微波頻段，集總參數(shù)的在微波頻段，集總參數(shù)的LCLC諧振回路已不再適用諧振回路已不再適用 必須研制新型的采用分布參數(shù)的微波諧振器必須研制新型的采用分布參數(shù)的微波諧振器q 兩種避免輻射的方法：兩種避免輻射的方法： 將將電磁波封閉在金屬空腔內(nèi)

45、電磁波封閉在金屬空腔內(nèi) 空腔諧振器空腔諧振器 將電磁波聚集在高介電常數(shù)的介質(zhì)內(nèi)將電磁波聚集在高介電常數(shù)的介質(zhì)內(nèi) 開(kāi)放型諧振器開(kāi)放型諧振器Chap. 6 微波諧振器微波諧振器q 微波諧振器分成兩大類(lèi)微波諧振器分成兩大類(lèi)Chap. 6 微波諧振器微波諧振器 傳輸線類(lèi)型的諧振器：傳輸線類(lèi)型的諧振器： 由微波傳輸線構(gòu)成，只要在結(jié)構(gòu)上采取某些措施（如開(kāi)由微波傳輸線構(gòu)成，只要在結(jié)構(gòu)上采取某些措施（如開(kāi)路或短路等）就可構(gòu)成微波諧振腔路或短路等）就可構(gòu)成微波諧振腔 非傳輸線類(lèi)型的諧振器：非傳輸線類(lèi)型的諧振器： 由特殊空腔構(gòu)成，形狀復(fù)雜，不能看成是由某種傳輸線構(gòu)成由特殊空腔構(gòu)成，形狀復(fù)雜，不能看成是由某種傳輸線構(gòu)成 例如：環(huán)形諧振腔、混合同軸線型諧振腔以及其他形狀（如例如：環(huán)形諧振腔、混合同軸線型諧振腔以及其他形狀（如球形、槽形、扇形）的諧振腔等球形、槽形、扇形）的諧振腔等 主要用于微波管和加速器等微波系統(tǒng)中主要用于微波管和加速器等微波系統(tǒng)中Chap. 6 微波諧振器微波諧振器q 微波諧振器與集總參數(shù)諧振回路的主要區(qū)別微波諧振器與集總參數(shù)諧振回路的主要區(qū)別分布參數(shù)電路：分布參數(shù)電路： LCLC諧振回路中的電能集中在電容中，磁能集中在電感中，有明諧